Кіріспе

Физикалық буды жинақтау техникасының түрі Катодтық доғалық жинақтау немесе Arc PVD - бұл катод нысанасынан материалды буландыру үшін электр доғасы пайдаланылатын физикалық буды жинақтау техникасы. Буланған материал субстратқа конденсацияланып, жұқа қабатқа айналады. Бұл әдісті металл, керамикалық және композиттік пленкаларды салу үшін қолдануға болады.

Тарих

Қазіргі заманғы катодтық доғалық жинақтау технологиясын өнеркәсіптік пайдалану 1960-1970 жылдары Кеңес Одағында пайда болды. 70-жылдардың соңында Кеңес үкіметі бұл технологияны Батыс елдеріне таратты. Сол кездегі КСРО-дағы көптеген жобалардың ішінде Л. П. Саблевтің және басқалардың дизайны КСРО-дан тыс жерлерде пайдалануға рұқсат етілген.

Процесс

Арк булану процесі катодтың (мақсат деп аталады) бетіне жоғары ток, төмен кернеулік дуалды соғудан басталады, бұл катодтық нүкте деп аталатын кішкентай (әдетте бірнеше микрометр ені бар) жоғары энергетикалық сәуле шығару аймағын тудырады. Катодтың нүктесіндегі жергілікті температура өте жоғары (шамамен 15000 °C), нәтижесінде катодтың бетіне кратер қалдырып, буланған материалдың жоғары жылдамдықтағы (10 км/с) ұшқыны пайда болады. Катодтық нүкте қысқа уақытқа ғана белсенді болады, содан кейін ол өздігінен сөніп, бұрынғы кратерге жақын жаңа аймақта қайта жандырады. Бұл мінез-құлық доғаның көрінетін қозғалысына әкеледі. Жарық негізінен ток өткізгіш болғандықтан, оған электромагниттік өрістің әсер етуі мүмкін, бұл тәжірибеде жарықты нысананың бүкіл бетінде тез қозғалтуға арналған, сондықтан уақыт өте келе жалпы бет эрозияға ұшырайды. Арқаның қуат тығыздығы өте жоғары, нәтижесінде иондалу деңгейі жоғары (30 100%), бірнеше зарядталған иондар, бейтарап бөлшектер, кластерлер және макро бөлшектер (шашықтар) болады. Егер булану процесінде реактивті газ енгізілсе, ион ағынымен өзара әрекеттесу кезінде диссоциация, иондану және қоздыру болуы мүмкін және құрама пленка түзіледі. Арк булану процесінің бір кемшілігі - егер катодтық нүкте булану нүктесінде ұзақ уақыт тұрса, онда ол көп мөлшерде макро бөлшектер немесе тамшылар шығара алады. Бұл тамшылар қаптаманың жұмыс істеуіне зиян келтіреді, өйткені олар қаптамаға нашар жабысады және қаптама арқылы таралуы мүмкін. Егер катодтың мақсатты материалының балқу температурасы төмен болса, мысалы алюминий, катодтың нүктесі нысана арқылы булануы мүмкін, нәтижесінде мақсатты арқалық пластина материалы буланады немесе камераға суыту суы кіреді. Сондықтан, жоғарыда айтылғандай, магнит өрістері доғаның қозғалысын басқару үшін қолданылады. Егер цилиндрлі катодтар пайдаланылса, онда олар жинақтау кезінде айналуы мүмкін. Катодтың бір орнында тұрмауына жол бермеу арқылы алюминийден жасалған мақсатты ұзындықты қолдануға болады және тамшылардың саны азаяды. Кейбір компаниялар сондай-ақ тамшыларды қаптама ағынынан бөлу үшін магнит өрістерін қолданатын сүзгіленген доғаларды қолданады.

Жабдықтың құрылысы

Саблев типті катодтық доға көзі, батыста ең көп қолданылатын, катодта қысқа цилиндр пішінді, электр өткізгіш нысанадан тұрады, оның бір ұшы ашық. Бұл нысананың электрлік жүзіп тұрған металл сақинасы бар, ол доғаны ұстап тұратын сақина (Стрельницкий қалқаны) ретінде жұмыс істейді. Жүйенің аноды вакуумдық камераның қабырғасы немесе дискретті анод болуы мүмкін. Аркалық нүктелер механикалық триггер (немесе тұтандырғыш) арқылы мақсаттың ашық шетінде пайда болады, бұл катод пен анод арасында уақытша қысқа тұйықталуды тудырады. Магниттік өрістер пайда болғаннан кейін оларды магниттік өріс басқара алады немесе магниттік өріс болмаған жағдайда кездейсоқ қозғалады. Катодтық доға көзінен плазма сәулесі кейбір үлкен атомдар немесе молекулалар кластерлерін (макро бөлшектер деп аталады) қамтиды, бұл оны сүзгілеудің қандай да бір түрісіз кейбір қолданбалар үшін пайдалы болудан сақтайды. Макро бөлшекті сүзгілердің көптеген жобалары бар, ал ең көп зерттелген жоба И. И. Аксеновтың және басқалардың жұмысына негізделген. 70 жылдары. Ол төртінші торс түтікшеден тұрады, ол доға көзінен 90 градусқа иілген, ал плазма плазмалық оптика қағидаты бойынша түтікшеден шығарылады. Сондай-ақ, басқа да қызықты жобалар бар, мысалы, 1990 жылдары Д. А. Карпов мәлімдегендей, кесілген конус тәрізді катодты құрастырған түзу каналдық сүзгі бар. Бұл дизайн Ресей мен бұрынғы КСРО елдеріндегі жұқа қатты пленкалар мен зерттеушілер арасында өте танымал болды. Катодтық доға көздері ұзын түтікше пішінде (ұзартылған доға) немесе ұзын тікбұрышты пішінде жасалуы мүмкін, бірақ екі дизайн да аз танымал.

Қолданбалар

Катодтық доғалық жинақтау өте қатты пленкаларды синтездеу үшін кескіш құралдардың бетін қорғау және олардың өмірін едәуір ұзарту үшін белсенді қолданылады. Бұл технологиямен әр түрлі жіңішке қатты пленкалар, суперқатты қаптамалар және нанокомпозиттік қаптамалар синтезделуі мүмкін, соның ішінде TiN, TiAlN, CrN, ZrN, AlCrTiN және TiAlSiN. Бұл, әсіресе, көміртек ионын жинақтау үшін алмаз тәрізді көміртек пленкаларын жасау үшін кеңінен қолданылады. Иондар жер бетінен баллистикалық түрде ұшырылатындықтан, тек бір атом ғана емес, сонымен қатар атомдардың үлкен шоғырлары лақтырылуы мүмкін. Осылайша, бұл жүйеде атомдар топтамасын жинақталу алдында сәуледен алу үшін сүзгі қажет. Сүзгіленген доғадан алынған DLC пленкасында тетраэдрлік аморфты көміртек немесе ta C деп аталатын sp3 алмазының өте жоғары пайызы бар. Сүзгіленген катодтық доға ионды имплантациялау және плазмаға батыру ионын имплантациялау және жинақтау (PIII&D) үшін металл ион / плазма көзі ретінде пайдаланылуы мүмкін.